El espacio-tiempo no es continuo a escalas pequeñas, sino que está formado por unidades discretas.
La gravedad cuántica es un área de la física teórica que busca unificar la teoría de la relatividad general de Einstein, que describe la gravedad en grandes escalas, con la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de las partículas subatómicas en escalas muy pequeñas. En esencia, intenta explicar el funcionamiento de la gravedad a nivel fundamental, teniendo en cuenta los principios de la mecánica cuántica.
Uno de los principales objetivos de la física teórica moderna es desarrollar una teoría completa de la gravedad cuántica. Hasta el momento, varios enfoques están siendo investigados activamente, como la teoría de cuerdas, la teoría de bucles, la gravedad cuántica de espín-red y otras. Cada una tiene sus propias implicaciones y desafíos.
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ResumenPrincipios fundamentales
Uno de los principios de la gravedad cuántica es la idea de que el espacio-tiempo puede ser cuantizado, es decir, que en escalas muy pequeñas o a niveles fundamentales, éste no es continuo, sino que está compuesto por unidades discretas o granos. Esto sugiere una estructura microscópica del espacio-tiempo que podría ser diferente a la descripción suave y continua dada por la relatividad general.
Además, algunos enfoques teóricos sugieren que el espacio-tiempo que experimentamos en escalas macroscópicas puede emerger de procesos fundamentales. Este concepto se conoce como espacio-tiempo emergente, y sus propiedades pueden surgir de interacciones más fundamentales, posiblemente a nivel cuántico.
También se postula la existencia de una partícula mediadora de la gravedad, llamada gravitón. Según la teoría de campos, las interacciones entre partículas se llevan a cabo a través de la mediación de partículas llamadas bosones.
Los gravitones virtuales son partículas hipotéticas que surgen en el contexto de la teoría cuántica de campos aplicada a la gravedad. Según esta teoría, las interacciones gravitatorias entre partículas se pueden entender como intercambios de gravitones, que serían los portadores de la fuerza gravitatoria, al igual que los fotones son los portadores de la fuerza electromagnética en la teoría cuántica de campos.
La gravedad cuántica también aborda la cuestión de la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza con las otras tres: electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Se busca una teoría unificada que las describa todas de manera coherente, lo que llevaría a una comprensión más profunda de la estructura del universo a escalas tanto microscópicas como macroscópicas.
La gravedad cuántica intenta unificar todas las fuerzas fundamentales.
Principales enfoques
La gravedad cuántica es un campo de investigación activo que ha dado lugar a varios enfoques teóricos para intentar reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica. A continuación describimos algunos de los más relevantes.
Teoría de cuerdas y supercuerdas
La teoría de cuerdas postula que las partículas fundamentales no son partículas puntuales, sino cuerdas unidimensionales vibrantes. Éstas pueden tener diferentes modos de vibración, lo que se corresponde con las diversas partículas y fuerzas observadas en el universo.
La teoría de cuerdas busca unificar todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluida la gravedad, en un marco matemático coherente. La supergravedad es una versión de la teoría de cuerdas que incluye la supersimetría, que relaciona la partícula de espín entero (bosones) con la de espín medio (fermiones).
En este contexto debemos mencionar:
- la cuerda cósmica: una estructura teórica postulada en cosmología cuántica y física de partículas según la cual éstas se forman durante las primeras etapas del universo y podrían ser responsables de la formación de estructuras a gran escala como galaxias y cúmulos de galaxias;
- las cuerdas abiertas y cerradas: las abiertas tienen extremos libres, mientras que las cerradas son análogas a bucles sin extremos. Estos dos tipos de cuerdas juegan un papel importante en las predicciones y descripciones de la teoría de cuerdas.
Gravedad cuántica de bucles (Loop Quantum Gravity, LQG)
Una aproximación a la gravedad cuántica que se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein pero, en lugar de considerar el espacio-tiempo como continuo, postula que el está compuesto por bucles. Éstos forman una red discreta que representa la estructura del espacio-tiempo a niveles muy pequeños. La gravedad cuántica de bucles se centra en resolver las dificultades conceptuales que surgen al intentar cuantizar la gravedad.
Teorías no perturbativas (gravedad cuántica no perturbativa)
Buscan describir la gravedad cuántica sin recurrir a expansiones en series de perturbación. La gravedad cuántica de bucles es un ejemplo de una teoría no perturbativa, ya que no se basa en una expansión en serie de la constante de acoplamiento. Estas teorías intentan abordar la gravedad cuántica directamente desde principios fundamentales, sin asumir que las interacciones son pequeñas.
Teorías perturbativas (teoría de perturbación)
Estas teorías tratan de describir la gravedad cuántica utilizando técnicas de teoría cuántica de campos perturbativos. La teoría de cuerdas, en su formulación original, puede ser vista como una teoría perturbativa en la que se expanden las cuerdas alrededor de configuraciones clásicas. Sin embargo, también existen enfoques perturbativos dentro de la gravedad cuántica de bucles y otras teorías no perturbativas.
Otros enfoques emergentes
Hay otras propuestas teóricas emergentes en el campo de la gravedad cuántica. Estos incluyen el principio holográfico, la geometría no conmutativa, la teoría de la información cuántica y la teoría de redes causales. Cada uno de estos enfoques tiene sus propias características y desafíos, y todos contribuyen al panorama en evolución de la gravedad cuántica.
Según el principio antrópico, las leyes físicas parecen propiciar la existencia de la vida.
Principios relacionados
Principio de equivalencia
Postulado central de la teoría de la relatividad general de Einstein, que establece que la gravedad es indistinguible de la aceleración. En otras palabras, un observador en caída libre no puede distinguir entre sentir la gravedad de un cuerpo masivo y estar en un sistema de referencia acelerado. Este principio es fundamental para la comprensión de cómo la masa y la energía deforman el espacio-tiempo.
Principio de superposición
Uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica, que establece que un sistema físico puede estar en múltiples estados al mismo tiempo, antes de ser observado. Esto significa que las partículas pueden existir en una combinación lineal de diferentes estados hasta que se realiza una medición.
Principio de mínima acción
También conocido como principio de Hamilton o principio de acción estacionaria, establece que la trayectoria seguida por un sistema físico entre dos puntos en el espacio-tiempo es aquella para la cual la acción (una medida integral de energía a lo largo de la trayectoria) es estacionaria, es decir, mínima o máxima. Este principio se utiliza en la formulación de diversas teorías físicas, incluida la mecánica clásica y la teoría cuántica de campos.
Principio de incertidumbre
Formulado por Werner Heisenberg. Establece que es imposible conocer simultáneamente con precisión absoluta la posición y el momento (o impulso) de una partícula. Cuanto más datos se tienen sobre una de estas magnitudes, menos se tienen sobre la otra, y viceversa. Este principio tiene implicaciones fundamentales para nuestra comprensión de la naturaleza probabilística del mundo cuántico.
Principio antrópico
Se refiere a la observación de que las leyes físicas del universo parecen estar finamente ajustadas para permitir la existencia de la vida tal como la conocemos. Propone que las condiciones deben ser compatibles con la existencia de observadores conscientes, como nosotros. Este principio se ha discutido en el contexto de la gravedad cuántica y otras áreas de la física teórica para abordar preguntas sobre la naturaleza de nuestro universo observado.
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